振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石的力學性能研究

張顯安，周宇豪，李雪連，王文強，譚珂，楊樂

(1.湖北交通工程檢測中心有限公司，湖北 武漢 430200；2.長沙理工大學 交通運輸工程學院；3.佛山路橋建設有限公司；4.浙江科技學院 土木與建筑工程學院)

1 前言

水泥穩(wěn)定碎石基層具有高強度、承載能力大、板體性良好、料源廣泛、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點。因此，在中國高等級公路建設中，廣泛采用水泥穩(wěn)定碎石作為半剛性基層。在水泥穩(wěn)定碎石基層的建設中，主要使用雙臥軸連續(xù)式攪拌機進行普通靜力攪拌，攪拌時間短，拌和強度不足，使混合料中的細料和水泥無法均勻散開、容易結團。結團后的水泥顆粒難以充分水化也無法均勻包裹在粗集料表面，最終導致水泥穩(wěn)定碎石基層出現(xiàn)承載力及耐久性不足等問題。振動攪拌工藝不僅可有效提高攪拌機械的拌和強度，而且還可提高水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度和均勻性。但該工藝對水泥穩(wěn)定碎石長齡期的力學性能影響和應用效果仍待進一步探索。因此，該文開展室內(nèi)試驗分析振動攪拌工藝對水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度、抗拉強度和抗壓回彈模量等力學性能的影響，并鋪筑試驗路，對該技術的可行性及實際使用效果進行驗證，為該技術以后的推廣應用提供技術參考。

2 原材料與配合比設計

2.1 原材料

(1)水泥：采用P.C.32.5R緩凝型水泥，其各項技術指標均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

(2)集料：根據(jù)相關規(guī)范要求，對粗、細集料的各項技術指標進行檢測，具體結果見表1，各項指標均滿足規(guī)范要求。

2.2 配合比設計

(1)級配

研究采用0～5、5～10、10～20、10～30 mm共4檔礦料配制混合料，根據(jù)各檔料的篩分結果，并參照JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術細則》中推薦的水泥穩(wěn)定碎石基層級配范圍，設計得出骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石級配，確定4檔集料的比例為(0～5 mm)∶(5～10 mm)∶(10～20 mm)∶(10～30 mm)=32∶10∶50∶8。4檔集料的級配和合成級配見表2。

表1 集料技術指標

(2)擊實試驗

采用重型擊實法確定混合料的最大干密度及最佳含水量。試驗水泥用量分別為4.0%、4.5%、5.0%和5.5%，每個水泥用量的含水量為3.0%、4.0%、5.0%、6.0%和7.0%。振動攪拌后，根據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》重型擊實試驗中的丙試驗方法進行擊實試驗，結果見表3。

表2 混合料集料級配

表3 重型擊實試驗結果

(3)制備試件

按照上述合成級配中的比例配制4檔集料。根據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中試件制備方法，首先加入比最佳含水量小2%的水浸潤2 h后，再加入水泥及剩下的水分別進行振動攪拌和普通靜力攪拌。振動攪拌采用DT60ZBW型攪拌機進行拌和，參考文獻[15]。攪拌機攪拌參數(shù)為：A(振幅):1.0 mm；ω(角頻率):201.1 rad/s；D(振動速度):4.13；Aω(振動強度):2/g(振動加速度)。普通靜力攪拌采用室內(nèi)混凝土攪拌設備進行攪拌。兩種攪拌方式攪拌時間均為2 min。振動成型法成型效果優(yōu)于靜壓成型法，故試驗采用振動成型法成型試件。將拌和好的混合料在1 h內(nèi)采用振動壓實法成型試件，試件成型4 h后脫模。

(4)最佳水泥劑量

根據(jù)重型擊實試驗結果，分別采用振動攪拌和普通靜力攪拌制備4.0%、4.5%、5.0%和5.5%水泥用量的φ15 cm×15 cm圓柱形試件，養(yǎng)生7 d后測試無側限抗壓強度，其結果見表4。

由表4可知：采用振動攪拌時，混合料水泥最佳劑量為4.5%；采用普通靜力攪拌時，混合料水泥最佳劑量為5.0%。因此，為分析振動攪拌工藝對水泥穩(wěn)定碎石力學性能的影響，后續(xù)室內(nèi)試驗選定4.5%和5.0%兩個水泥劑量進行研究。

表4 7 d無側限抗壓強度試驗結果

3 室內(nèi)試驗研究

3.1 無側限抗壓強度

無側限抗壓強度作為無機結合料穩(wěn)定材料質(zhì)量控制的主要指標，對水泥穩(wěn)定碎石基層性能而言至關重要。試件在分別標準養(yǎng)生7、28和90 d后進行無側限抗壓強度試驗，結果見表5。

從表4、5可以看出：① 當水泥劑量及齡期相同時，振動攪拌的無側限抗壓強度明顯高于普通靜力攪拌。在齡期為7 d、水泥劑量為4.5%時，振動攪拌混合料的無側限抗壓強度為4.72 MPa，而相同水泥劑量下普通靜力攪拌時的混合料強度僅為3.33 MPa，振動攪拌無側限抗壓強度提高了41.7%；當水泥劑量為5.0%時，振動攪拌混合料的強度較普通靜力攪拌混合料提高了26.2%。說明振動攪拌工藝可明顯提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強度；② 在相同水泥劑量及相同齡期時，振動攪拌下的混合料的強度變異系數(shù)Cv均小于普通靜力攪拌，故振動攪拌混合料的均勻性更好。如當齡期為28 d、水泥劑量為4.5%時，振動攪拌混合料的Cv值為3.2%，而普通靜力攪拌混合料的Cv值為5.4%，振動攪拌混合料的變異系數(shù)較普通靜力攪拌混合料的Cv值下降了40.7%；③ 振動攪拌的抗壓強度增長速度較普通靜力攪拌增長快。振動攪拌時，4.5%和5.0%水泥劑量的混合料在7 d時強度分別占90 d強度的66.2%和71.2%；而普通靜力攪拌時，4.5%和5.0%水泥劑量的混合料在7 d時強度僅分別占90 d強度的57.2%和67.3%。

表5 無測限抗壓強度及變異系數(shù)Cv值

3.2 間接抗拉強度

水泥穩(wěn)定碎石的間接抗拉強度是最接近水泥穩(wěn)定碎石基層實際破壞模式的控制指標，對基層設計具有重要意義，故進行7、28和90 d的間接抗拉強度試驗，結果如表6所示。

表6 間接抗拉強度及變異系數(shù)Cv值

由表6可知：① 在相同水泥劑量及齡期下，振動攪拌的間接抗拉強度均大于普通靜力攪拌強度。在齡期為90 d時，4.5%和5.0%水泥劑量的振動攪拌間接抗拉強度分別比普通靜力攪拌增大了15.7%和23.2%。這說明振動攪拌工藝可明顯提高水泥穩(wěn)定碎石的間接抗拉強度；② 振動攪拌混合料的強度在早期形成得更快。采用振動攪拌工藝時，4.5%和5.0%水泥劑量的混合料7 d時的間接抗拉強度為90 d強度的55.9%和56.5%；而普通靜力攪拌下，4.5%和5.0%水泥劑量的混合料7 d時的間接抗拉強度僅為90 d強度的43.1%和53.6%。這與無側限抗壓強度的規(guī)律是一致的，振動攪拌工藝對于提高施工效率，加快施工進度具有極大的促進作用；③ 相較于無側限抗壓強度，振動攪拌工藝對水泥穩(wěn)定碎石的間接抗拉強度的提升效果更為明顯。在齡期為7 d、水泥劑量為4.5%時，振動攪拌工藝下混合料的間接抗拉強度相較于普通靜力攪拌混合料的間接抗拉強度提升了50%，但對無側限抗壓強度僅提升了41.7%。

3.3 抗壓回彈模量

水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量對路面的承載力和路面整體的強度有著重要影響。目前中國大多采用靜態(tài)試驗方法對其測定，但在實際情況下，路面不斷受到汽車動態(tài)荷載的作用，靜態(tài)并不能反映路面結構的實際受力狀態(tài)。故采用動態(tài)試驗測量水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量，使其更加符合路面的實際使用狀態(tài)，試驗結果見表7。

表7 動態(tài)抗壓回彈模量試驗結果

由表7可知：當齡期和水泥劑量相同時，振動攪拌動態(tài)抗壓回彈模量均高于普通靜力攪拌。當齡期為28 d、水泥劑量為4.5%時，振動攪拌的動態(tài)抗壓回彈模量比普通靜力攪拌提高了18.2%。在齡期為28 d時，使用振動攪拌工藝，當水泥劑量從4.5%提升至5.0%時，水泥穩(wěn)定碎石的動態(tài)模量提升了10.8%；而在同樣齡期下，使用普通靜力攪拌工藝，當水泥劑量從4.5%提升至5.0%時，水泥穩(wěn)定碎石的動態(tài)模量僅提升了5.6%。這說明當使用振動攪拌工藝時，能更好地發(fā)揮水泥的膠結能力。其原因為相對于普通靜力攪拌，振動攪拌能將水泥凝聚成團的狀態(tài)打破，使得水泥的水化更加充分，并且使水泥微粒分布得更加均勻，從而使水泥的潛能充分發(fā)揮。

4 試驗路鋪筑

2019年4月攤鋪的試驗路位于廣東省佛山市高明大橋至富龍大橋公路工程第NHS-01標段K026+140～K026+240，路面結構形式為：4 cm AC-13C+6 cm AC-20C+8 cm AC-25C+56 cm水泥穩(wěn)定碎石基層。試驗路水泥穩(wěn)定碎石基層的設計強度為4.0 MPa，根據(jù)室內(nèi)7 d無側限抗壓強度試驗結果，當水泥劑量為4.5%時，強度滿足設計強度要求。根據(jù)規(guī)范要求，為保證路面基層強度，采用集中廠拌法施工時，工地實際采用的水泥劑量宜比室內(nèi)試驗確定的最佳劑量增加0.5%，故選定水泥劑量為5.0%。集中廠拌法采用德通DT700ZBT型攪拌機，攪拌機攪拌參數(shù)為：A:1.0 mm；ω:201.1 rad/s；D:4.13；Aω:2/g。

4.1 現(xiàn)場強度試驗

取一定量的拌和樓混合料，在室內(nèi)靜壓成型φ150 mm×150 mm的圓柱形試件，分別標準養(yǎng)生7、28 d，在養(yǎng)生最后一天放入水中浸泡24 h。使用萬能壓力機進行無側限抗壓強度試驗，結果見表8。

表8 無側限抗壓強度試驗結果

由表8可知：試驗路現(xiàn)場所用混合料的7 d無側限抗壓強度滿足設計強度(4.0 MPa)要求。在28 d時，混合料無側限抗壓強度相比7 d增大了18.1%，強度明顯增大。另外，變異系數(shù)基本相同，也說明現(xiàn)場混合料攪拌狀況良好，滿足實際工程要求。

4.2 現(xiàn)場芯樣

鉆芯取樣是檢驗路面水泥穩(wěn)定碎石基層質(zhì)量的關鍵指標，為了解水泥穩(wěn)定碎石基層的強度情況，在施工結束養(yǎng)生7 d后對試驗路段進行現(xiàn)場取芯調(diào)查。結果表明：振動攪拌試驗路段取出的芯樣都完整無松散狀，說明水泥穩(wěn)定碎石在攤鋪7 d后，路面基層強度較高，基層已形成板體結構。

4.3 試驗路檢測與評價

在試驗路鋪筑碾壓完成后，采用灌砂法對其壓實度進行檢測。在基層養(yǎng)生7 d后，使用貝克曼梁(5.4 m)每隔20 m對其彎沉進行檢測，結果見表9。

表9 試驗路檢測指標

由表9可知：① 振動攪拌工藝鋪筑的試驗路路面基層的彎沉值遠小于設計要求。這說明使用振動攪拌工藝施工的水泥穩(wěn)定碎石基層的板體性好，剛度較高；② 振動攪拌路段的壓實度較高，滿足設計及相關施工規(guī)范要求。

5 結論

為對比振動攪拌與靜力攪拌工藝的優(yōu)劣，開展了兩種工藝施工的水泥穩(wěn)定碎石的力學性能試驗并鋪筑了試驗路，具體結論如下：

(1)振動攪拌工藝明顯提高了水泥穩(wěn)定碎石無側限抗壓強度、間接抗拉強度和均勻性，且加快了這兩個強度的增長速度。

(2)相較于無側限抗壓強度，振動攪拌工藝對水泥穩(wěn)定碎石的間接抗拉強度的提升效果更為明顯。

(3)振動攪拌不但能提高水泥穩(wěn)定碎石的動態(tài)抗壓回彈模量，且當增大相同水泥用量時較靜力攪拌工藝施工提升幅度更大。

(4)試驗路檢測結果表明振動攪拌工藝在實際施工中應用效果良好。